第03章过程参数的检测_(p)

1、第第3 3章章 过程参数的检测过程参数的检测 pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa0appp0happp 由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度也是表压或者真空度。pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转目前工业上常

2、用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：换原理的不同，一般分为四类：(1)(1)液柱式压力检测液柱式压力检测 采用充有水或水银等液体的玻璃采用充有水或水银等液体的玻璃U U形管或单管进行测量。形管或单管进行测量。(2)(2)弹性式压力检测弹性式压力检测 根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)(3)电气式压力检测电气式压力检测 利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的利用敏感元件将

3、被测压力直接转换成各种电量进行测量的 仪表，如电阻、电荷量等。仪表，如电阻、电荷量等。(4)(4)活塞式压力检测活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.050.02，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。p1 p2p1 p2h(a)(b)21pppgh xpxpxpxpxpxxxxx 平薄膜 波纹膜

4、 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管膜膜 片片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测

5、较低的压力（低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；级；弹簧管弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。级。xpxpxpxpxpxxxxx 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管膜膜 片片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构

6、指示。但是膜片的位移受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；弹簧管弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达造的要求，

7、仪表精度最高可达0.15级。级。波纹管波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；级；222220)1 (1abbhREP0P1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮4中心齿轮 5指针 6面板7游丝 8调节螺钉 9接头图3-18 弹簧管压力表工作原理：力矩平衡工作原理：力矩平衡 检测元件检测元件膜盒或膜

8、片膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构 膜盒式差压变送器构成膜盒式差压变送器构成 检测检测部分部分: P 输入力输入力Fi 杠杆系统杠杆系统: 力的传递和力矩比较，力的传递和力矩比较，生成位移信号生成位移信号 位移检测放大器位移检测放大器: 位移位移 输出输出Io电磁反馈装置电磁反馈装置: : 输出输出反馈力反馈力Ff 作用：作用：把被测差压把被测差压P转换成转换成 作用于主杠杆下端的输入力作用于主杠杆下端的输入力Fi A1= A2= Ad Fi= Ad(P1 -P2) = AdP Fi= A1P1 -A2P2因因: : 故故:p1p2负压室正压

9、室轴封膜片主杠杆主杠杆的支点膜片的有效膜片的有效面积面积 进行力的传递和力矩比较进行力的传递和力矩比较 主杠杆主杠杆将将Fi转换为转换为F1 矢量机构矢量机构将将F1转换为转换为F2 副杠杆副杠杆将将F2产生的力矩与产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，产生的力矩进行比较，生成位移变化生成位移变化 zz将将Fi转换为转换为F1F1作用于矢量机构上作用于矢量机构上 iFllF211HF1Fil2l1将输入力将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力转换为作用于副杠杆上的力F2 tgFF121F3F2F1F2F3F(a)(b)进行力矩的比较进行力矩的比较 23FlMifffFlMzzzMl FfiMMMF

10、2产生的力矩产生的力矩Ff产生的力矩产生的力矩合力矩合力矩调零力调零力Fz产生的力矩产生的力矩ifzMMMMzz 作用：作用：把变送器的输出电流把变送器的输出电流I0转换成转换成作用于副杠杆的电磁反馈力作用于副杠杆的电磁反馈力Ff Ff =BDcWI0设设 Kf =BDcW改变反馈动圈的匝数改变反馈动圈的匝数W，可以改变可以改变 Kf的大小的大小 反馈动圈反馈动圈1固定在副杠杆上，且处于永久固定在副杠杆上，且处于永久磁钢磁钢2的磁场中，可在其中左右移动。软的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯铁芯3和永久磁钢和永久磁钢2组成磁路。软铁芯使组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场，从而环形气隙

11、中形成均匀的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈方向垂直。当变送器的输出电流过反馈动圈时，就会产生电磁反馈力动圈时，就会产生电磁反馈力Ff。Ff与变与变送器输出电流送器输出电流I0之间的关系为：之间的关系为： 则则 Ff = KfI0 1-3短接、短接、2-4短接短接 W = W1=725匝 1-2短接短接 W = W1+W2=2175匝 可实现可实现3：1的量程调整的量程调整 W1=725匝，匝，W2=1450匝匝R11与与W1的直流电阻相同的直流电阻相同 dApiF1F2FzFfF0IiMfMzMM12l lt

12、an3lKflzlfKzffzPFKllPK0?IdApiF1F2FzFfF0IiMfMzMM12l ltan3lKflzlfKzffzffdFKllPKlllltgAI23101ffl K K 若：Io mAPminPmax420P1 30211dzzffffl lKKIA tgPlFll K Kl K K1.变送器的输出电流变送器的输出电流I0和输入信号和输入信号P之间呈线性关系之间呈线性关系 2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限在输入信号范围下限时为时为4mA 。 3.改变改变tg或或Kf可以调整变送器的量程可以调整变送器的量程 4.

13、零点和量程要反复调整零点和量程要反复调整 zffzffdFKllPKlllltgAI2310Io mAPminPmax420P电容式电容式差压变送器采用差动差压变送器采用差动电容作为检测元件电容作为检测元件主要包括测量部件和转换放大电路两部分：主要包括测量部件和转换放大电路两部分： 差压电容膜盒电容-电流转换电路调零、零迁电路电流放大器反馈电路pCIiIfIzIoP=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小的电容量减小 Ci2的电容量增大的电容量增大 差动差动电容测量原理电容测量原理图3.86 差动电容式压力变送器的差动电容结构Uo隔离膜片固定电极硅油测量膜片玻璃层引线固定电极底

14、座P=0 d1=d2=d0 P0 d1=d0+ d2=d0- 01111dAdACi02222dAdACi21)11(0012ddACCCii1KP由于：01111dAdACi02222dAdACi相对变化值 与被测差压P成线性关系， 1212iiiiCCCC且与灌充液的介电常数无关 22000122dAdAdACCii22000122dAddAdACCiipdCCCCiiii01212电容式压力变送器，目前电容式压力变送器，目前在工业生产中应在工业生产中应用非常广泛用非常广泛，其输出信号也是标准，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换电容式

15、压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。为电容量的变化，然后进行测量的。电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠

16、在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级级。 SlRr1r2123P(a)传感器1外壳 2弹性筒 3膜片r1r2123P(a)传感器1外壳 2弹性筒 3膜片UiEr1r2R3R4AB(b)测量电桥313412() U0 RrUERRrr ，不受压时0122011212010201201() 24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr 因因电阻率变化引起阻值变化电阻率变化引起阻值变化

17、称为称为压阻效应压阻效应。半导体材料的压阻效应比半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。 p2p1硅杯图3-30 压阻式传感器示意图正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油构成

18、框图构成框图：扩散硅压扩散硅压阻传感器阻传感器前置前置放大器放大器调零电路调零电路VI转换转换PUSU01UZIO+把被测差压把被测差压P成比例地转换为不平衡电压成比例地转换为不平衡电压US 1.负压室负压室 2.正压室正压室 3.硅杯硅杯4.引线引线 5.硅片硅片Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R US Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时：受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r224()2iiSSRRIU21()2Srr I受压时，流经受压时，流经2桥臂的电流始终相等桥臂的电流始终相等P1K P结论：

19、结论：压阻式压力传感器的主要压阻式压力传感器的主要优点优点是体积小，结构简单，其是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片. .扩扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，的压力变化此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。是一种发展

20、比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。 这种传感器的缺点则是这种传感器的缺点则是扩散扩散电阻电阻存在温度效应，存在温度效应，容易受环境容易受环境温度的影响，温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。1151数字式差压变送器数字式差压变送器 数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。总体结

21、构式相同的。 ST3000差压变送器差压变送器 ST3000、1151数字式差压变送器都是采用数字式差压变送器都是采用HART通通信方式进行通信的信方式进行通信的传感器传感器三组件（差压、温度和静压）三组件（差压、温度和静压）差压传感器差压传感器扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器差压差压传感器传感器温度温度传感器传感器静压静压传感器传感器多多路路转转换换A/DCPUD/A数字数字IOROMRAMEPROMHart信号信号差压传感器差压传感器主传感器，测量差压主传感器，测量差压温度、静压传感器温度、静压传感器辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度RAMRAM存储变

22、送器的各种参数存储变送器的各种参数EPROMEPROM存储着与存储着与RAMRAM同样的数据。同样的数据。变送器设置变送器设置通过数字设定器设置，通过数字设定器设置，差压差压传感器传感器温度温度传感器传感器静压静压传感器传感器多多路路转转换换A/DCPUD/A数字数字IOROMRAMEPROMHart信号信号传感器传感器AD7715CPUWDTAD421HT2012PI0 1.传感器采用电容式差压传感器传感器采用电容式差压传感器2.将输入差压转换成将输入差压转换成02.5V左右的电压信号左右的电压信号 。3.变送器的正常工作电流必须等于或小于变送器的正常工作电流必须等于或小于3.5mA4.传感

23、器部分工作电流为传感器部分工作电流为0.8mA左右左右 。 1.AD7715是美国是美国ADI公司生产的公司生产的16位模数转换器。它具有位模数转换器。它具有0.0015的的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。输入、输出更新速度可编程等特点。2.2.3.带有模拟前置放大器的带有模拟前置放大器的A/D转换芯片采用转换芯片采用-转换技术，实现转换技术，实现16位的位的高精度模数转换高精度模数转换 。4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，不太适用多路信号频繁切换的

24、场合，只有在一路信号每周期的使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。而其它路信号不常用的情况下可以使用。5.5.在低速采样应用中，在低速采样应用中，AD7715AD7715的性能最佳。当采用的性能最佳。当采用60Hz60Hz或或60Hz60Hz以下的以下的更新速度进行采样时，更新速度进行采样时，AD7715AD7715对对50Hz50Hz的工频有抑制作用，采样的效的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于果很好，但当更新速度大于60Hz60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，这时可以在读数据时采

25、用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。即加入所谓的后置滤波器。6. AD77156. AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热电偶、热电阻测在小信号的采样中得到很好的应用，在热电偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。温的应用方面也取得了令人满意的效果。 -调制器包含调制器包含1个差分放大器、个差分放大器、1个积分器、个积分器、1个比较器以及个比较器以及1个由个由1bit DAC（1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。参考电压）构成的反馈环。反馈反馈DAC的作用是使积

26、分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。，反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的的频段。如果对噪声成形后的-调制器输出

27、进行数字滤波，将有可能调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。移走比简单过采样中更多的噪声。AD7715是以是以原理工作的原理工作的16位模数转换器位模数转换器采用单一采用单一5V(AD77155)或或3V(AD77153)电源供电电源供电可用最少数量的口线与单片机或可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的适用于单通道低速小信号采样的应用场合。应用场合。 1.AT89S8252微处理器微处理器 ，它与，它与MCS-51兼容。兼容。2. 8K bytes的的Flash ROM、2K bytes的的EEPROM、256 bytes的的R

28、AM、32个个 I/O口线、两个口线、两个DPTR、3个个16位定时位定时/计数器、计数器、1个全双工串个全双工串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。3. CPU采用采用3V供电，工作频率供电，工作频率1.8432MHz。4. CPU采取间断工作方式采取间断工作方式 1/5时间工作、时间工作、4/5时间休眠，以降低时间休眠，以降低CPU功耗功耗实现实现HART协议物理层的硬件电路协议物理层的硬件电路 将将CPU输入的数字信号转换为输入的数字信号转换为420mA直流电流作为整机的输出直流电流作为整机的输出将通信部分输入的数字信号叠加在将通信部分输入的数字信号叠加在420mA直流电流上一起输出直流电流上一起输出 与场效应管与场效应管VT1等组成电压调整等组成电压调整电路电路 三极管三极管VT2